JP2003156642A - 光導波路およびその製造方法 - Google Patents
光導波路およびその製造方法Info
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- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 フォトニック結晶全体に渡る周期性のずれを
生じさせることなく、また、帯域の広い曲げ導波路を構
成できる、光導波路およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 １は基板、２はＳｉＯ２層、３はＳｉ
層、４、５は格子点列、ａは格子定数、Ｗは単純に格子
を１列抜いた場合の欠陥を挟んだ両側の最近接格子の中
心間距離である。スラブ型２次元フォトニック結晶にお
ける複数の直線状の格子列群から１列格子列を除いて線
欠陥構造とし、格子点１列分の線欠陥幅よりも狭くなる
ように、線欠陥に近接する格子点列を移動させ、また
は、格子点上に配置された構造体を変形させ、導波路幅
を０.７Ｗとした構造である。この構造の光導波路は、
ライトラインよりも下に大きな群速度を持った単一導波
モードが存在する。
生じさせることなく、また、帯域の広い曲げ導波路を構
成できる、光導波路およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 １は基板、２はＳｉＯ２層、３はＳｉ
層、４、５は格子点列、ａは格子定数、Ｗは単純に格子
を１列抜いた場合の欠陥を挟んだ両側の最近接格子の中
心間距離である。スラブ型２次元フォトニック結晶にお
ける複数の直線状の格子列群から１列格子列を除いて線
欠陥構造とし、格子点１列分の線欠陥幅よりも狭くなる
ように、線欠陥に近接する格子点列を移動させ、また
は、格子点上に配置された構造体を変形させ、導波路幅
を０.７Ｗとした構造である。この構造の光導波路は、
ライトラインよりも下に大きな群速度を持った単一導波
モードが存在する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理、光伝
送等に用いられるレーザ、光集積回路等の様々な光デバ
イス等を構成する基本構造および光学部品に用いられ
る、光導波路およびその製造方法に関する。
送等に用いられるレーザ、光集積回路等の様々な光デバ
イス等を構成する基本構造および光学部品に用いられ
る、光導波路およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在の光デバイスは光の閉じ込めを屈折
率で行っている。このため、光の閉じ込め領域を小さく
できないことから、素子を小さく構成することができな
い。さらに、素子の集積度を上げるために急峻な曲げ導
波路を構成すると、散乱損失が生じる。このため、光回
路の小型・集積化が行えず、その大きさは電子デバイス
に比べて非常に大きい。上述の問題を解決することがで
きる光の新素材として、フォトニック結晶が期待されて
いる。フォトニック結晶によれば、従来とはまったく異
なる概念で、光の閉じ込めを行うことができる。
率で行っている。このため、光の閉じ込め領域を小さく
できないことから、素子を小さく構成することができな
い。さらに、素子の集積度を上げるために急峻な曲げ導
波路を構成すると、散乱損失が生じる。このため、光回
路の小型・集積化が行えず、その大きさは電子デバイス
に比べて非常に大きい。上述の問題を解決することがで
きる光の新素材として、フォトニック結晶が期待されて
いる。フォトニック結晶によれば、従来とはまったく異
なる概念で、光の閉じ込めを行うことができる。
【０００３】フォトニック結晶は、屈折率の異なる２種
類以上の媒質によって光の波長と同程度の周期性を形成
した、人工的な多次元周期構造であり、電子のバンド構
造に似た光のバンド構造を有する。このため、次のよう
な点が理論的に指摘されている（J.D.Joannopoulos et
al.，Nature386， 143（1997））。つまり、特定の構造
には、光の禁制帯（フォトニックバンドギャップ）が現
れる。このフォトニックバンドギャップを有するフォト
ニック結晶に、周期性を乱す線欠陥を導入する。これに
よって、バンドギャップの周波数領域内に導波モードが
形成され、完全に光を閉じ込める光導波路を実現でき
る。
類以上の媒質によって光の波長と同程度の周期性を形成
した、人工的な多次元周期構造であり、電子のバンド構
造に似た光のバンド構造を有する。このため、次のよう
な点が理論的に指摘されている（J.D.Joannopoulos et
al.，Nature386， 143（1997））。つまり、特定の構造
には、光の禁制帯（フォトニックバンドギャップ）が現
れる。このフォトニックバンドギャップを有するフォト
ニック結晶に、周期性を乱す線欠陥を導入する。これに
よって、バンドギャップの周波数領域内に導波モードが
形成され、完全に光を閉じ込める光導波路を実現でき
る。
【０００４】J.D.Joannopoulosらは、光の波長程度の格
子定数aの四角格子上に、半導体程度の大きな屈折率を
持つ、半径ａ／５の円柱を配置した２次元フォトニック
結晶を形成した。この２次元フォトニック結晶中に、円
柱を１列配置しない線欠陥を導入した。この２次元フォ
トニック結晶によって、急角度に曲げた場合でも原理的
に散乱損失が生じない光導波路が構成可能であること
を、J.D.Joannopoulosらは理論的に示した。このような
導波路は、超小型光集積回路を構成する上で、非常に重
要な導波路となり得る。
子定数aの四角格子上に、半導体程度の大きな屈折率を
持つ、半径ａ／５の円柱を配置した２次元フォトニック
結晶を形成した。この２次元フォトニック結晶中に、円
柱を１列配置しない線欠陥を導入した。この２次元フォ
トニック結晶によって、急角度に曲げた場合でも原理的
に散乱損失が生じない光導波路が構成可能であること
を、J.D.Joannopoulosらは理論的に示した。このような
導波路は、超小型光集積回路を構成する上で、非常に重
要な導波路となり得る。
【０００５】超小型光集積回路を構成するための光導波
路を実現するには、フォトニックバンドギャップ周波数
内に、単一の導波モードを実現することが必要である。
これは次のような不都合があるからである。性質の異な
るモードを複数もつマルチモード導波路を用いた場合、
例えば曲げ導波路を構成したとき、伝播しているモード
の一部が曲げ部で異なるモードに変換されてしまう。こ
のために、超小型光集積回路で必要な、高効率の曲げ導
波路を実現できないなどの不都合がある。また、マルチ
モード導波路は高速通信には適さない。
路を実現するには、フォトニックバンドギャップ周波数
内に、単一の導波モードを実現することが必要である。
これは次のような不都合があるからである。性質の異な
るモードを複数もつマルチモード導波路を用いた場合、
例えば曲げ導波路を構成したとき、伝播しているモード
の一部が曲げ部で異なるモードに変換されてしまう。こ
のために、超小型光集積回路で必要な、高効率の曲げ導
波路を実現できないなどの不都合がある。また、マルチ
モード導波路は高速通信には適さない。
【０００６】現在のところ、導波路としていくつかのタ
イプのものが作製されている。フルバンドギャップを有
する３次元フォトニック結晶中に導波路を作りこむこと
は、技術的に困難である。このため、２次元フォトニッ
ク結晶を用いて、導波路を作製することが有望である。
イプのものが作製されている。フルバンドギャップを有
する３次元フォトニック結晶中に導波路を作りこむこと
は、技術的に困難である。このため、２次元フォトニッ
ク結晶を用いて、導波路を作製することが有望である。
【０００７】２次元フォトニック結晶を導波路として用
いる場合、２次元面に垂直な方向の光閉じ込めが必要に
なる。このために、いくつかの方法が提案されている。
その中で、低屈折率の誘電体（多くの場合、酸化物また
はポリマー、屈折率１.５程度）の上に、高屈折率の半
導体（屈折率３〜３.５程度）の薄膜を付けた構造に２
次元フォトニック結晶を作りこんだ構造（酸化物クラッ
ド２次元スラブ型フォトニック結晶）がある。この構造
によれば、最も容易に大面積のものが作製可能であり、
また、同じ構造に様々な機能素子を付加しやすい。
いる場合、２次元面に垂直な方向の光閉じ込めが必要に
なる。このために、いくつかの方法が提案されている。
その中で、低屈折率の誘電体（多くの場合、酸化物また
はポリマー、屈折率１.５程度）の上に、高屈折率の半
導体（屈折率３〜３.５程度）の薄膜を付けた構造に２
次元フォトニック結晶を作りこんだ構造（酸化物クラッ
ド２次元スラブ型フォトニック結晶）がある。この構造
によれば、最も容易に大面積のものが作製可能であり、
また、同じ構造に様々な機能素子を付加しやすい。
【０００８】近年、Silicon-On-Insulator（ＳＯＩ）と
呼ばれる二酸化珪素（ＳｉＯ２）上に珪素（Ｓｉ）薄膜
がついた基板が、ＬＳＩに応用されるようになり、非常
に高品質のものが得られるようになっている。この基板
を用いることにより、容易に高品質の酸化物クラッド型
２次元スラブフォトニック結晶を作製できるという利点
もある。このような利点は、他の構造、例えばフォトニ
ック結晶の上下のクラッドを空気にしたエアブリッジ型
２次元スラブフォトニック結晶では得られない。
呼ばれる二酸化珪素（ＳｉＯ２）上に珪素（Ｓｉ）薄膜
がついた基板が、ＬＳＩに応用されるようになり、非常
に高品質のものが得られるようになっている。この基板
を用いることにより、容易に高品質の酸化物クラッド型
２次元スラブフォトニック結晶を作製できるという利点
もある。このような利点は、他の構造、例えばフォトニ
ック結晶の上下のクラッドを空気にしたエアブリッジ型
２次元スラブフォトニック結晶では得られない。
【０００９】このように、酸化物クラッド型２次元スラ
ブフォトニック結晶は、エアブリッジ型２次元スラブフ
ォトニック結晶等に比べると、作製の面で有利である。
しかし、この構造には次に述べるような問題があり、フ
ォトニックバンドギャップ周波数内に単一の導波モード
を実現する導波路構造は実現できていない。
ブフォトニック結晶は、エアブリッジ型２次元スラブフ
ォトニック結晶等に比べると、作製の面で有利である。
しかし、この構造には次に述べるような問題があり、フ
ォトニックバンドギャップ周波数内に単一の導波モード
を実現する導波路構造は実現できていない。
【００１０】２次元スラブフォトニック結晶を用いた光
導波路において、欠陥によって生じる導波モードでは、
上述のように２次元面内に関してフォトニックバンドギ
ャップの存在により、光が強く閉じ込められている。こ
のため、面内の散乱損失は無いが、一般的に、クラッド
のライトラインより高周波数領域はリーキーである。す
なわち、光がクラッド層に漏れやすい。ライトライン
は、その媒質中で光が伝播できる最低周波数を、伝播定
数に対して表示したものである。ライトラインは次の式
で定まる直線で示すことができる。 ｗ＝ｃｋ／ｎ ｗ：角周波数、ｃ：光速、ｎ：屈折率、ｋ：波数
導波路において、欠陥によって生じる導波モードでは、
上述のように２次元面内に関してフォトニックバンドギ
ャップの存在により、光が強く閉じ込められている。こ
のため、面内の散乱損失は無いが、一般的に、クラッド
のライトラインより高周波数領域はリーキーである。す
なわち、光がクラッド層に漏れやすい。ライトライン
は、その媒質中で光が伝播できる最低周波数を、伝播定
数に対して表示したものである。ライトラインは次の式
で定まる直線で示すことができる。 ｗ＝ｃｋ／ｎ ｗ：角周波数、ｃ：光速、ｎ：屈折率、ｋ：波数
【００１１】したがって、上下のクラッド層へ導波光が
漏洩しないように、ライトラインより低周波数の領域を
利用することが通例となっている。図１１（ａ）、
（ｂ）は、従来例における典型的な空気孔型の１列抜き
線欠陥フォトニック結晶導波路の構造模式図である。図
１１（ａ）、（ｂ）において、符号１０１が基板、符号
１０２がＳｉＯ２層、符号１０３がＳｉ層である。ま
た、符号１０４が空気孔三角格子の空気孔、符号１０５
が光導波路である。ＳｉＯ２層１０２はクラッド層であ
る。空気孔三角格子の格子定数はａである。
漏洩しないように、ライトラインより低周波数の領域を
利用することが通例となっている。図１１（ａ）、
（ｂ）は、従来例における典型的な空気孔型の１列抜き
線欠陥フォトニック結晶導波路の構造模式図である。図
１１（ａ）、（ｂ）において、符号１０１が基板、符号
１０２がＳｉＯ２層、符号１０３がＳｉ層である。ま
た、符号１０４が空気孔三角格子の空気孔、符号１０５
が光導波路である。ＳｉＯ２層１０２はクラッド層であ
る。空気孔三角格子の格子定数はａである。
【００１２】図１１の空気孔型の１列抜き線欠陥フォト
ニック結晶導波路では、空気孔三角格子の空気孔１０４
がＳｉ層１０３を貫通する円柱または多角柱である。Ｓ
ｉ層１０３の穴直径が、この例の場合、０.２７５μmで
ある。空気孔三角格子とは、空気孔１０４が三角格子の
各格子点に配置された構造であり、三角格子とは格子点
が２次元面を埋め尽くすように配置された正三角形の頂
点に配置された規則格子のことである。また、図１１で
は、１列抜き線欠陥の欠陥幅をＷ０で表している。
ニック結晶導波路では、空気孔三角格子の空気孔１０４
がＳｉ層１０３を貫通する円柱または多角柱である。Ｓ
ｉ層１０３の穴直径が、この例の場合、０.２７５μmで
ある。空気孔三角格子とは、空気孔１０４が三角格子の
各格子点に配置された構造であり、三角格子とは格子点
が２次元面を埋め尽くすように配置された正三角形の頂
点に配置された規則格子のことである。また、図１１で
は、１列抜き線欠陥の欠陥幅をＷ０で表している。
【００１３】代表的なフォトニックバンドギャップを持
つ２次元フォトニック結晶には、空気中に高屈折率の柱
を配置した構造と、前記のように高屈折率板内に空気孔
をあけた構造とがある。前者はJ.D.Joannopoulosらが使
用した構造である。この構造では、高屈折率の柱が自立
できないため、この柱を支えるためのクラッド層が必要
になる。この層は線欠陥導波路のコアとなる空気よりも
屈折率が大きくなる。導波路の上下に光が漏れないよう
にするためには、非常に長い柱を必要とし、作製が非常
に困難となる。一方、後者の空気孔は自立できるため、
クラッド層の選択が自由であり、コアの屈折率をクラッ
ド層のそれより大きくすることが容易である。このため
に、作製上の制限が小さく、上下に光が漏れにくい構造
を選択しやすい。
つ２次元フォトニック結晶には、空気中に高屈折率の柱
を配置した構造と、前記のように高屈折率板内に空気孔
をあけた構造とがある。前者はJ.D.Joannopoulosらが使
用した構造である。この構造では、高屈折率の柱が自立
できないため、この柱を支えるためのクラッド層が必要
になる。この層は線欠陥導波路のコアとなる空気よりも
屈折率が大きくなる。導波路の上下に光が漏れないよう
にするためには、非常に長い柱を必要とし、作製が非常
に困難となる。一方、後者の空気孔は自立できるため、
クラッド層の選択が自由であり、コアの屈折率をクラッ
ド層のそれより大きくすることが容易である。このため
に、作製上の制限が小さく、上下に光が漏れにくい構造
を選択しやすい。
【００１４】高屈折率板を用いたフォトニック結晶の孔
の二次元配列には、様々なパターンがある。図１１
（ａ）に示したような、三角格子状に孔（円柱または多
角柱）を配置した構造は、広い周波数帯域のフォトニッ
クバンドギャップを有するパターンとして知られてい
る。これは、この構造が光に対する絶縁体として機能す
る周波数帯域が広いことを意味しており、導波路設計の
際の周波数選択範囲を広く取れるため有利である。
の二次元配列には、様々なパターンがある。図１１
（ａ）に示したような、三角格子状に孔（円柱または多
角柱）を配置した構造は、広い周波数帯域のフォトニッ
クバンドギャップを有するパターンとして知られてい
る。これは、この構造が光に対する絶縁体として機能す
る周波数帯域が広いことを意味しており、導波路設計の
際の周波数選択範囲を広く取れるため有利である。
【００１５】図１２は、従来例における典型的な１列抜
き線欠陥フォトニック結晶導波路の導波路モード分散を
示す。酸化物クラッド型フォトニック結晶でこのような
導波路を構成しようとした場合、形成される導波モード
は図１２のようなものになる。ここで、角周波数は、 格子定数／波長 で表現される無次元の規格化周波数を用いている。伝播
定数は、 波数・格子定数／２π で表現される無次元の規格化伝播定数を用いている。図
１２には、この場合のクラッド（ＳｉＯ２、屈折率１.
４６）のライトラインも示されている。
き線欠陥フォトニック結晶導波路の導波路モード分散を
示す。酸化物クラッド型フォトニック結晶でこのような
導波路を構成しようとした場合、形成される導波モード
は図１２のようなものになる。ここで、角周波数は、 格子定数／波長 で表現される無次元の規格化周波数を用いている。伝播
定数は、 波数・格子定数／２π で表現される無次元の規格化伝播定数を用いている。図
１２には、この場合のクラッド（ＳｉＯ２、屈折率１.
４６）のライトラインも示されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来例として
示した構造では、クラッド層に光が漏洩しないという条
件を満たす導波モードは、図１２のライトラインの下部
の楕円で囲まれた領域１１１のみである。
示した構造では、クラッド層に光が漏洩しないという条
件を満たす導波モードは、図１２のライトラインの下部
の楕円で囲まれた領域１１１のみである。
【００１７】ところが、この領域１１１では、導波モー
ドの傾きが非常に小さく、この傾きで大きさが決まる導
波モードの群速度（エネルギー伝播速度）が非常に小さ
い。このような極端に群速度の小さいモードでは、伝播
時間が長くなる。このため、導波路として用いる場合に
は、問題が多く使いにくい。また、現実的な構造では、
若干の構造の不均一性があるため、極端に群速度の小さ
いモードはわずかな不均一性の影響を受けて、伝播しな
くなってしまう。また、ライトラインの上（高周波数領
域側）のモードでは、フォトニック結晶による回折損が
大きすぎて、光が伝播できない。つまり、フォトニック
結晶導波路内の光は、結晶の周期構造から摂動を受けな
がら伝播しており、ライトラインの上のモードでは、回
折損としてクラッド層に漏れてしまう。
ドの傾きが非常に小さく、この傾きで大きさが決まる導
波モードの群速度（エネルギー伝播速度）が非常に小さ
い。このような極端に群速度の小さいモードでは、伝播
時間が長くなる。このため、導波路として用いる場合に
は、問題が多く使いにくい。また、現実的な構造では、
若干の構造の不均一性があるため、極端に群速度の小さ
いモードはわずかな不均一性の影響を受けて、伝播しな
くなってしまう。また、ライトラインの上（高周波数領
域側）のモードでは、フォトニック結晶による回折損が
大きすぎて、光が伝播できない。つまり、フォトニック
結晶導波路内の光は、結晶の周期構造から摂動を受けな
がら伝播しており、ライトラインの上のモードでは、回
折損としてクラッド層に漏れてしまう。
【００１８】実際に本願発明者によって１列抜き線欠陥
導波路を作製したところ、この導波路では、伝播が全く
観測されなかった。この問題の原因は、クラッドが決め
るライトラインよりも下に、現実的に使いやすい、ある
程度の大きさの群速度を持った導波モードが存在しない
ことと、ライトラインよりも上では、回折損が非常に大
きいことにある。
導波路を作製したところ、この導波路では、伝播が全く
観測されなかった。この問題の原因は、クラッドが決め
るライトラインよりも下に、現実的に使いやすい、ある
程度の大きさの群速度を持った導波モードが存在しない
ことと、ライトラインよりも上では、回折損が非常に大
きいことにある。
【００１９】ライトラインよりも下のモードを利用する
ためには、図１２のグラフにおいて、ライトラインを上
げるか、または、導波モードを動かす必要がある。しか
し、酸化物クラッド構造をとる限り、ライトラインの位
置がクラッドの屈折率で制限されるため、大きく変える
ことができない。
ためには、図１２のグラフにおいて、ライトラインを上
げるか、または、導波モードを動かす必要がある。しか
し、酸化物クラッド構造をとる限り、ライトラインの位
置がクラッドの屈折率で制限されるため、大きく変える
ことができない。
【００２０】また、導波モードに関して、バンドギャッ
プ内で単一の導波モードを得るという条件を課す限り、
図１１の構造では、ライトラインの下に、ある程度大き
な群速度を持たせることが困難である。ここでは、三角
格子の場合について説明したが、正方格子など他の結晶
構造の場合には、状況がさらに困難になり、要請を満た
す導波モードはやはり存在しない。このように、ライト
ラインの下のモードを利用することは非常に難しい。
プ内で単一の導波モードを得るという条件を課す限り、
図１１の構造では、ライトラインの下に、ある程度大き
な群速度を持たせることが困難である。ここでは、三角
格子の場合について説明したが、正方格子など他の結晶
構造の場合には、状況がさらに困難になり、要請を満た
す導波モードはやはり存在しない。このように、ライト
ラインの下のモードを利用することは非常に難しい。
【００２１】この問題を解決する最も有効な構造とし
て、幅変化型のフォトニック結晶導波路がある。この構
造では、線欠陥を挟んだ両側の格子の配列全体を平行移
動させて、線欠陥幅を調節する方法がとられている。こ
れより、低損失で長距離伝播が可能なモードが利用可能
となっている（M.Notomi et al.Electron.Lett.37，293
（2001））。
て、幅変化型のフォトニック結晶導波路がある。この構
造では、線欠陥を挟んだ両側の格子の配列全体を平行移
動させて、線欠陥幅を調節する方法がとられている。こ
れより、低損失で長距離伝播が可能なモードが利用可能
となっている（M.Notomi et al.Electron.Lett.37，293
（2001））。
【００２２】しかし、この方法では、直線導波路のみが
構成され、光集積回路に必要な曲げ導波路の実現が不可
能となる。さらに、フォトニック結晶の周期性がずれて
いるため、同一フォトニック結晶内に配置されたフォト
ニック結晶デバイスとの整合が取れなくなる可能性があ
る。
構成され、光集積回路に必要な曲げ導波路の実現が不可
能となる。さらに、フォトニック結晶の周期性がずれて
いるため、同一フォトニック結晶内に配置されたフォト
ニック結晶デバイスとの整合が取れなくなる可能性があ
る。
【００２３】この発明は、幅変化型２次元スラブフォト
ニック結晶導波路のこのような問題点を解決し、フォト
ニック結晶全体に渡る周期性のずれを生じさせることな
く、また、帯域の広い曲げ導波路を構成できる、光導波
路およびその製造方法を提供することを目的とする。
ニック結晶導波路のこのような問題点を解決し、フォト
ニック結晶全体に渡る周期性のずれを生じさせることな
く、また、帯域の広い曲げ導波路を構成できる、光導波
路およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明は、直線導波路の
みが構成されることやフォトニック結晶全体に渡る周期
性のずれを生じさせることなく、幅変化型と同等の光導
波路およびその作製方法を提供することを目的とし、こ
の目的を達成するために、請求項１の発明は、スラブ型
２次元フォトニック結晶の格子点に配列された構造体の
一部を除いて形成された格子点１列分の線欠陥構造を有
し、前記線欠陥が単一モード条件を満足するように、そ
れに近接する複数列の格子点上の構造体を移動させ、ま
たは変形させたことを特徴とする光導波路である。
みが構成されることやフォトニック結晶全体に渡る周期
性のずれを生じさせることなく、幅変化型と同等の光導
波路およびその作製方法を提供することを目的とし、こ
の目的を達成するために、請求項１の発明は、スラブ型
２次元フォトニック結晶の格子点に配列された構造体の
一部を除いて形成された格子点１列分の線欠陥構造を有
し、前記線欠陥が単一モード条件を満足するように、そ
れに近接する複数列の格子点上の構造体を移動させ、ま
たは変形させたことを特徴とする光導波路である。
【００２５】請求項２の発明は、請求項１に記載の光導
波路において、前記線欠陥構造は、格子点１列分の線欠
陥を挟む最近接格子の中心間幅よりも狭くなるように線
欠陥に近接する格子点列を移動、または、格子点１列分
の線欠陥を挟む最近接格子の線欠陥側端間幅よりも狭く
なるように格子点上に配置された構造体を変形させた構
造であり、クラッドのライトラインより低周波数側で単
一モード条件を満足することを特徴とする。
波路において、前記線欠陥構造は、格子点１列分の線欠
陥を挟む最近接格子の中心間幅よりも狭くなるように線
欠陥に近接する格子点列を移動、または、格子点１列分
の線欠陥を挟む最近接格子の線欠陥側端間幅よりも狭く
なるように格子点上に配置された構造体を変形させた構
造であり、クラッドのライトラインより低周波数側で単
一モード条件を満足することを特徴とする。
【００２６】請求項３の発明は、請求項２に記載の光導
波路の前記線欠陥構造において、移動または変形させら
れた格子点上の構造体のうち一列以上を大きな形状に変
形させたことを特徴とする。請求項４の発明は、請求項
２に記載の光導波路の前記線欠陥構造において、線欠陥
に最近接する格子点列を移動させる方向にその外側の格
子点列上の構造体を引き伸ばすように大きく変形させる
ことを特徴とする。請求項５の発明は、請求項２に記載
の光導波路の前記線欠陥構造において、移動させた格子
点列は線欠陥から２列目までとすることを特徴とする。
波路の前記線欠陥構造において、移動または変形させら
れた格子点上の構造体のうち一列以上を大きな形状に変
形させたことを特徴とする。請求項４の発明は、請求項
２に記載の光導波路の前記線欠陥構造において、線欠陥
に最近接する格子点列を移動させる方向にその外側の格
子点列上の構造体を引き伸ばすように大きく変形させる
ことを特徴とする。請求項５の発明は、請求項２に記載
の光導波路の前記線欠陥構造において、移動させた格子
点列は線欠陥から２列目までとすることを特徴とする。
【００２７】請求項６の発明は、請求項１に記載の光導
波路において、前記線欠陥構造は、格子点１列分の線欠
陥を挟む最近接格子の中心間幅よりも広くなるように線
欠陥に近接する格子点列を移動、または、格子点１列分
の線欠陥を挟む最近接格子の線欠陥側端間幅よりも広く
なるように格子点上に配置された構造体を変形させた構
造であり、クラッドのライトラインより高周波数側で単
一モード条件を満足することを特徴とする。
波路において、前記線欠陥構造は、格子点１列分の線欠
陥を挟む最近接格子の中心間幅よりも広くなるように線
欠陥に近接する格子点列を移動、または、格子点１列分
の線欠陥を挟む最近接格子の線欠陥側端間幅よりも広く
なるように格子点上に配置された構造体を変形させた構
造であり、クラッドのライトラインより高周波数側で単
一モード条件を満足することを特徴とする。
【００２８】請求項７の発明は、請求項６に記載の光導
波路の前記線欠陥構造において、線欠陥に最近接する格
子点上の構造体を小さく変形させたことを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項６に記載の光導波路におい
て、前記線欠陥構造における変形された構造体は、円筒
の線欠陥側を削りとった形状であることを特徴とする。
波路の前記線欠陥構造において、線欠陥に最近接する格
子点上の構造体を小さく変形させたことを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項６に記載の光導波路におい
て、前記線欠陥構造における変形された構造体は、円筒
の線欠陥側を削りとった形状であることを特徴とする。
【００２９】請求項９の発明は、スラブ型２次元フォト
ニック結晶の格子の一部を導波路方向に直線状に除いて
形成された線欠陥構造を有し、前記線欠陥構造の線欠陥
中の屈折率の大きな領域の面積が狭くなるように、この
欠陥を挟む両側の格子上に配置された構造体を移動さ
せ、または変形させることにより、クラッドのライトラ
インより低周波数側に群速度の大きなモードを有するこ
とを特徴とする光導波路である。
ニック結晶の格子の一部を導波路方向に直線状に除いて
形成された線欠陥構造を有し、前記線欠陥構造の線欠陥
中の屈折率の大きな領域の面積が狭くなるように、この
欠陥を挟む両側の格子上に配置された構造体を移動さ
せ、または変形させることにより、クラッドのライトラ
インより低周波数側に群速度の大きなモードを有するこ
とを特徴とする光導波路である。
【００３０】請求項１０の発明は、請求項９に記載の光
導波路において、前記線欠陥を挟む両側の格子上に配置
された構造体を、欠陥の中央に向かって引き伸ばした形
状に変形して、変形構造体を形成したことを特徴とす
る。請求項１１の発明は、請求項１０に記載の光導波路
において、前記線欠陥を挟む両側の格子上に配置された
構造体を、欠陥の中央に向かい先細りの形状として、変
形構造体を形成したことを特徴とする。
導波路において、前記線欠陥を挟む両側の格子上に配置
された構造体を、欠陥の中央に向かって引き伸ばした形
状に変形して、変形構造体を形成したことを特徴とす
る。請求項１１の発明は、請求項１０に記載の光導波路
において、前記線欠陥を挟む両側の格子上に配置された
構造体を、欠陥の中央に向かい先細りの形状として、変
形構造体を形成したことを特徴とする。
【００３１】請求項１２の発明は、請求項１０に記載の
光導波路において、前記線欠陥を挟む両側の格子上に配
置された前記変形構造体の、前記線欠陥の中央に近い側
を第１の円形にし、前記線欠陥を挟んで互いに向かい合
う前記変形構造体の第１の円形の中心間距離を導波路幅
として、この導波路幅を第１の幅とし、スラブ型２次元
フォトニック結晶の格子の１列を除いただけの、通常の
線欠陥構造における欠陥部分の、両側の格子間の幅であ
る第２の幅より、前記第１の幅を狭くしたことを特徴と
する。
光導波路において、前記線欠陥を挟む両側の格子上に配
置された前記変形構造体の、前記線欠陥の中央に近い側
を第１の円形にし、前記線欠陥を挟んで互いに向かい合
う前記変形構造体の第１の円形の中心間距離を導波路幅
として、この導波路幅を第１の幅とし、スラブ型２次元
フォトニック結晶の格子の１列を除いただけの、通常の
線欠陥構造における欠陥部分の、両側の格子間の幅であ
る第２の幅より、前記第１の幅を狭くしたことを特徴と
する。
【００３２】請求項１３の発明は、請求項１１に記載の
光導波路において、単一モード条件を満足するために、
前記変形構造体の、前記欠陥から遠い側を第２の円形に
し、前記第１の円形の半径が、前記第２の円形の半径よ
り小さな、前記線欠陥の中央に向かい先細りの形状とし
たことを特徴とする。請求項１４の発明は、請求項１２
に記載の光導波路において、前記第１の幅を、前記第２
の幅の０.７倍以下の値としたことを特徴とする。請求
項１５の発明は、請求項１３に記載の光導波路におい
て、０.０１［ｃ／ａ］以上の単一モード周波数帯域を
得るために、前記第２の円の半径を格子定数の０.４５
倍より小さな値で、かつ、前記第１の幅を前記第２の幅
の０.４倍以下の値としたことを特徴とする。請求項１
６の発明は、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光
導波路において、前記格子は空気孔型三角格子であるこ
とを特徴とする。請求項１７の発明は、請求項１〜１６
のいずれか１項に記載の光導波路において、前記スラブ
型２次元フォトニック結晶が、酸化物クラッドまたはポ
リマークラッドを有することを特徴とする。請求項１８
の発明は、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の光導
波路において、前記スラブ型２次元フォトニック結晶
は、ＳＯＩ基板を用いて製造したこを特徴とする。
光導波路において、単一モード条件を満足するために、
前記変形構造体の、前記欠陥から遠い側を第２の円形に
し、前記第１の円形の半径が、前記第２の円形の半径よ
り小さな、前記線欠陥の中央に向かい先細りの形状とし
たことを特徴とする。請求項１４の発明は、請求項１２
に記載の光導波路において、前記第１の幅を、前記第２
の幅の０.７倍以下の値としたことを特徴とする。請求
項１５の発明は、請求項１３に記載の光導波路におい
て、０.０１［ｃ／ａ］以上の単一モード周波数帯域を
得るために、前記第２の円の半径を格子定数の０.４５
倍より小さな値で、かつ、前記第１の幅を前記第２の幅
の０.４倍以下の値としたことを特徴とする。請求項１
６の発明は、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光
導波路において、前記格子は空気孔型三角格子であるこ
とを特徴とする。請求項１７の発明は、請求項１〜１６
のいずれか１項に記載の光導波路において、前記スラブ
型２次元フォトニック結晶が、酸化物クラッドまたはポ
リマークラッドを有することを特徴とする。請求項１８
の発明は、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の光導
波路において、前記スラブ型２次元フォトニック結晶
は、ＳＯＩ基板を用いて製造したこを特徴とする。
【００３３】請求項１９の発明は、スラブ型２次元フォ
トニック結晶の格子点に配置された構造体の一部を除き
線欠陥構造とする光導波路の製造方法において、前記ス
ラブ型２次元フォトニック結晶をＳＯＩ基板を用いて作
製し、格子点列を１列分抜いて線欠陥を形成し、その線
欠陥に近接する複数の格子点列を移動させ、または格子
点上に配置された構造体を変形し、クラッドのライトラ
インより低周波数側または高周波数側で単一モード条件
を満足させることを特徴とする光導波路の製造方法であ
る。
トニック結晶の格子点に配置された構造体の一部を除き
線欠陥構造とする光導波路の製造方法において、前記ス
ラブ型２次元フォトニック結晶をＳＯＩ基板を用いて作
製し、格子点列を１列分抜いて線欠陥を形成し、その線
欠陥に近接する複数の格子点列を移動させ、または格子
点上に配置された構造体を変形し、クラッドのライトラ
インより低周波数側または高周波数側で単一モード条件
を満足させることを特徴とする光導波路の製造方法であ
る。
【００３４】請求項２０の発明は、スラブ型２次元フォ
トニック結晶の格子の一部を導波路方向に直線状に除い
て線欠陥構造とした光導波路の製造方法において、前記
線欠陥構造の線欠陥中の屈折率の大きな領域の面積が狭
くなるように、この欠陥を挟む両側の格子上に配置され
た構造体を移動または変形を行い、前記構造体を移動ま
たは変形によって、クラッドのライトラインより低周波
数側に群速度の大きなモードを有することを特徴とする
光導波路の製造方法である。
トニック結晶の格子の一部を導波路方向に直線状に除い
て線欠陥構造とした光導波路の製造方法において、前記
線欠陥構造の線欠陥中の屈折率の大きな領域の面積が狭
くなるように、この欠陥を挟む両側の格子上に配置され
た構造体を移動または変形を行い、前記構造体を移動ま
たは変形によって、クラッドのライトラインより低周波
数側に群速度の大きなモードを有することを特徴とする
光導波路の製造方法である。
【００３５】本発明は、スラブ型２次元フォトニック結
晶の格子の一列を導波路方向に直線状に除き欠陥構造と
したスラブ型２次元フォトニック結晶導波路において、
欠陥中の屈折率の大きな領域の面積が狭くなるように、
欠陥を挟む両側の格子上に配置された構造体を移動・変
形させることにより、クラッドのライトラインより低周
波数側に群速度の大きなモードを有する。これにより、
ライトラインよりも下に大きな群速度をもった単一導波
モードが形成可能な構造の光導波路を提供することがで
きる。さらに、フォトニック結晶全体に渡る周期性のず
れが生じないため、直線だけでなく曲げ導波路も提供す
ることができる。
晶の格子の一列を導波路方向に直線状に除き欠陥構造と
したスラブ型２次元フォトニック結晶導波路において、
欠陥中の屈折率の大きな領域の面積が狭くなるように、
欠陥を挟む両側の格子上に配置された構造体を移動・変
形させることにより、クラッドのライトラインより低周
波数側に群速度の大きなモードを有する。これにより、
ライトラインよりも下に大きな群速度をもった単一導波
モードが形成可能な構造の光導波路を提供することがで
きる。さらに、フォトニック結晶全体に渡る周期性のず
れが生じないため、直線だけでなく曲げ導波路も提供す
ることができる。
【００３６】また、前記格子は空気孔型三角格子とする
ことができ、前記スラブ型２次元フォトニック結晶が、
酸化物クラッド又はポリマークラッドを有するように構
成できる。さらに、前記スラブ型2次元フォトニック結
晶は、ＳＯＩ基板を用いて製造することもできる。
ことができ、前記スラブ型２次元フォトニック結晶が、
酸化物クラッド又はポリマークラッドを有するように構
成できる。さらに、前記スラブ型2次元フォトニック結
晶は、ＳＯＩ基板を用いて製造することもできる。
【００３７】
【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態につ
いて説明する。
いて説明する。
【００３８】［実施の形態１］本実施の形態による光導
波路は、スラブ型２次元フォトニック結晶の格子点に配
置された構造体の一部を除き欠陥構造とした光導波路に
おいて、格子点１列分の線欠陥と、その線欠陥が単一モ
ード条件を満足するようにそれに近接する複数の格子点
列を移動させ、または、格子点上に配置された構造体を
変形させた構造とを有するものである。
波路は、スラブ型２次元フォトニック結晶の格子点に配
置された構造体の一部を除き欠陥構造とした光導波路に
おいて、格子点１列分の線欠陥と、その線欠陥が単一モ
ード条件を満足するようにそれに近接する複数の格子点
列を移動させ、または、格子点上に配置された構造体を
変形させた構造とを有するものである。
【００３９】スラブ型２次元フォトニック結晶とは、誘
電体薄膜スラブに誘電体薄膜スラブよりも低い屈折率の
円柱状または多角柱状の低屈折率柱を、適当な２次元周
期間隔で設け、さらに、誘電体薄膜スラブの上下を誘電
体薄膜スラブよりも小さい屈折率を持つ上部クラッド層
と下部クラッド層とで挟んだフォトニック結晶のことで
ある。
電体薄膜スラブに誘電体薄膜スラブよりも低い屈折率の
円柱状または多角柱状の低屈折率柱を、適当な２次元周
期間隔で設け、さらに、誘電体薄膜スラブの上下を誘電
体薄膜スラブよりも小さい屈折率を持つ上部クラッド層
と下部クラッド層とで挟んだフォトニック結晶のことで
ある。
【００４０】図１は、本実施の形態による線欠陥フォト
ニック結晶導波路からなる光導波路の模式図である。図
1において、符号１が基板、符号２がＳｉＯ２層、符号
３がＳｉ層である。また、空気孔三角格子の格子定数が
ａである。本実施の形態では、空気三角格子上に円形の
空気孔３Ａが構造体として配列されている。
ニック結晶導波路からなる光導波路の模式図である。図
1において、符号１が基板、符号２がＳｉＯ２層、符号
３がＳｉ層である。また、空気孔三角格子の格子定数が
ａである。本実施の形態では、空気三角格子上に円形の
空気孔３Ａが構造体として配列されている。
【００４１】本実施の形態では、酸化物クラッド型２次
元スラブフォトニック結晶に線欠陥を形成する場合に、
線欠陥に最近接の格子点列４をお互いに近づくように移
動させる。さらに、格子点列４の外側の格子点列５上の
空気孔５Ａの大きさを、格子点列４の移動距離分伸ば
す。本実施の形態では、空気孔５Ａが変形構造体であ
る。これによって、クラッドのライトラインよりも下に
大きな群速度をもった単一導波モードを形成する。
元スラブフォトニック結晶に線欠陥を形成する場合に、
線欠陥に最近接の格子点列４をお互いに近づくように移
動させる。さらに、格子点列４の外側の格子点列５上の
空気孔５Ａの大きさを、格子点列４の移動距離分伸ば
す。本実施の形態では、空気孔５Ａが変形構造体であ
る。これによって、クラッドのライトラインよりも下に
大きな群速度をもった単一導波モードを形成する。
【００４２】図１に示すように、導波路の幅を、線欠陥
に最近接の格子点列の中心距離として定義し、中心距離
Ｗ０の定数倍で表現する。中心距離Ｗ０は、単純に格子
を１列抜いた線欠陥を挟む最近接格子の中心間隔であ
る。
に最近接の格子点列の中心距離として定義し、中心距離
Ｗ０の定数倍で表現する。中心距離Ｗ０は、単純に格子
を１列抜いた線欠陥を挟む最近接格子の中心間隔であ
る。
【００４３】３μｍ厚のＳｉＯ２層２、０.２μｍ厚の
Ｓｉ層３のＳＯＩ基板上に、電子線露光とドライエッチ
ングとによって、格子定数ａ＝０.３９μｍよりなる三
角格子を空気孔で構成したフォトニック結晶を作製す
る。さらに、格子点１列分の空気孔がない線欠陥領域を
光導波路として導入する。その際、お互いが近づくよう
に線欠陥を挟む最近接の格子点列を移動させ、さらに、
その外側の格子点列上の空気孔を、線欠陥に最近接の格
子点列の移動距離方向に、移動距離分だけ引き伸ばした
形に変形する。こうして、空気孔５Ａが形成される。
Ｓｉ層３のＳＯＩ基板上に、電子線露光とドライエッチ
ングとによって、格子定数ａ＝０.３９μｍよりなる三
角格子を空気孔で構成したフォトニック結晶を作製す
る。さらに、格子点１列分の空気孔がない線欠陥領域を
光導波路として導入する。その際、お互いが近づくよう
に線欠陥を挟む最近接の格子点列を移動させ、さらに、
その外側の格子点列上の空気孔を、線欠陥に最近接の格
子点列の移動距離方向に、移動距離分だけ引き伸ばした
形に変形する。こうして、空気孔５Ａが形成される。
【００４４】線欠陥に最近接の空気孔５Ａの中心距離を
様々に変化させた導波路の透過率測定を行った結果、単
純な格子１列抜きでは、バンドギャップの波長領域内で
観測ができなかった光の透過が、幅を０.７Ｗ０にした
ものでは、ギャップ内のある波長域で明確な透過光が観
測された。
様々に変化させた導波路の透過率測定を行った結果、単
純な格子１列抜きでは、バンドギャップの波長領域内で
観測ができなかった光の透過が、幅を０.７Ｗ０にした
ものでは、ギャップ内のある波長域で明確な透過光が観
測された。
【００４５】図２は、幅０.７Ｗ０の光導波路の導波モ
ード分散である。本計算は、３μｍ厚のＳｉＯ２層２上
の０.２μｍ厚のＳｉ層３の等価屈折率を２.８とみな
し、２次元で行われている。ここで、角周波数は、 格子定数／波長 で表現される無次元の規格化周波数を用いており、伝播
定数は、 波数・格子定数／２π で表現される無次元の規格化伝播定数を用いている。図
２中には、クラッド（屈折率１.４６）のライトライン
を重ねて示してある。
ード分散である。本計算は、３μｍ厚のＳｉＯ２層２上
の０.２μｍ厚のＳｉ層３の等価屈折率を２.８とみな
し、２次元で行われている。ここで、角周波数は、 格子定数／波長 で表現される無次元の規格化周波数を用いており、伝播
定数は、 波数・格子定数／２π で表現される無次元の規格化伝播定数を用いている。図
２中には、クラッド（屈折率１.４６）のライトライン
を重ねて示してある。
【００４６】図２内の楕円部９で示されるように、ライ
トラインよりも下側に大きな群速度を持った導波モード
が存在している。また、その周波数領域では、単一モー
ド条件を満たしていることも明らかである。
トラインよりも下側に大きな群速度を持った導波モード
が存在している。また、その周波数領域では、単一モー
ド条件を満たしていることも明らかである。
【００４７】これらの結果は、本実施の形態の導波路が
欠陥を挟んだ両側の格子全体をずらした幅変調型光導波
路と同等の特徴を有することを示している。本実施の形
態の導波路構造を用いることで、フォトニック結晶全体
に渡る周期性のずれを生じさせることなく、導波路を構
成することが可能となり、曲げ導波路の実現が可能とな
る。
欠陥を挟んだ両側の格子全体をずらした幅変調型光導波
路と同等の特徴を有することを示している。本実施の形
態の導波路構造を用いることで、フォトニック結晶全体
に渡る周期性のずれを生じさせることなく、導波路を構
成することが可能となり、曲げ導波路の実現が可能とな
る。
【００４８】［実施の形態２］図３は、本実施例におけ
る線欠陥フォトニック結晶導波路からなる光導波路の模
式図であり、（ａ）はその上面図、（ｂ）は（ａ）のII
−II´断面を示す断面図である。図２において、符号１
１が基板、符号１２がＳｉＯ２層、符号１３がＳｉ層で
ある。また、空気孔三角格子の格子定数がａである。
る線欠陥フォトニック結晶導波路からなる光導波路の模
式図であり、（ａ）はその上面図、（ｂ）は（ａ）のII
−II´断面を示す断面図である。図２において、符号１
１が基板、符号１２がＳｉＯ２層、符号１３がＳｉ層で
ある。また、空気孔三角格子の格子定数がａである。
【００４９】本実施の形態では、酸化物クラッド型２次
元スラブフォトニック結晶に線欠陥を形成する場合に、
単一線欠陥に最近接の格子点列１４の大きさを小さくす
ることで導波路幅を調整し、クラッドのライトラインよ
りも上に大きな群速度をもった単一導波モードを形成す
る。欠陥導波路の幅調整は、単一線欠陥に最近接の格子
点列１４の位置を固定したまま、円筒の線欠陥側を削り
とった半月型とすることで行っている。図３に示すよう
に、導波路の幅を、半月の直線部の間隔として定義し、
中心距離Ｗ０の定数倍で表現する。中心距離Ｗ０は、単
純に格子を１列抜いた線欠陥を挟む最近接格子の中心間
隔である。
元スラブフォトニック結晶に線欠陥を形成する場合に、
単一線欠陥に最近接の格子点列１４の大きさを小さくす
ることで導波路幅を調整し、クラッドのライトラインよ
りも上に大きな群速度をもった単一導波モードを形成す
る。欠陥導波路の幅調整は、単一線欠陥に最近接の格子
点列１４の位置を固定したまま、円筒の線欠陥側を削り
とった半月型とすることで行っている。図３に示すよう
に、導波路の幅を、半月の直線部の間隔として定義し、
中心距離Ｗ０の定数倍で表現する。中心距離Ｗ０は、単
純に格子を１列抜いた線欠陥を挟む最近接格子の中心間
隔である。
【００５０】３μｍ厚のＳｉＯ２層１２、０.２μｍ厚
のＳｉ層１３のＳＯＩ基板上に、電子線露光とドライエ
ッチングとによって、格子定数ａ＝０.３９μｍよりな
る三角格子を空気孔で構成したフォトニック結晶を作製
する。さらに、格子点1列分の空気孔がない線欠陥領域
を光導波路として導入する。その際、線欠陥を挟む最近
接の格子点列の位置を固定したまま、空気孔の線欠陥側
をエッチングしないことにより、半月型をした空気孔１
４Ａを作製する。
のＳｉ層１３のＳＯＩ基板上に、電子線露光とドライエ
ッチングとによって、格子定数ａ＝０.３９μｍよりな
る三角格子を空気孔で構成したフォトニック結晶を作製
する。さらに、格子点1列分の空気孔がない線欠陥領域
を光導波路として導入する。その際、線欠陥を挟む最近
接の格子点列の位置を固定したまま、空気孔の線欠陥側
をエッチングしないことにより、半月型をした空気孔１
４Ａを作製する。
【００５１】エッチングしない領域を調整することによ
り、半月の直線部分の間隔を様々に変化させた導波路を
作製する。それぞれの透過率測定を行った結果、単純な
格子１列抜きでは、バンドギャップの波長領域内で観測
ができなかった光の透過が、幅を１.１Ｗ０にしたもの
では、ギャップ内のある波長域で明確な透過光が観測さ
れた。
り、半月の直線部分の間隔を様々に変化させた導波路を
作製する。それぞれの透過率測定を行った結果、単純な
格子１列抜きでは、バンドギャップの波長領域内で観測
ができなかった光の透過が、幅を１.１Ｗ０にしたもの
では、ギャップ内のある波長域で明確な透過光が観測さ
れた。
【００５２】図４は、幅１.１Ｗの光導波路の導波モー
ド分散である。本計算は、ＳｉＯ２層１２の屈折率を
１.４６とみなし、Ｓｉ層１３の屈折率を３.４とみなし
て、３次元で行われている。
ド分散である。本計算は、ＳｉＯ２層１２の屈折率を
１.４６とみなし、Ｓｉ層１３の屈折率を３.４とみなし
て、３次元で行われている。
【００５３】図４では、クラッドのライトラインを重ね
て示してある。図４中の楕円部１９に示されるように、
本発明ではライトラインよりも上側に大きな群速度を持
った導波モードが存在している。また、その周波数領域
では、単一モード条件を満たしていることも図４より明
らかである。通常の単純な格子１列抜きによる導波路で
は、この周波数領域の伝播損失が１００ｄＢ／ｍｍ以上
と非常に大きく、利用することが不可能であった。しか
し、本実施の形態の構造を用いることにより、伝播損失
を１５ｄＢ／ｍｍにまで改善でき、十分利用に耐える導
波路を構成できる。
て示してある。図４中の楕円部１９に示されるように、
本発明ではライトラインよりも上側に大きな群速度を持
った導波モードが存在している。また、その周波数領域
では、単一モード条件を満たしていることも図４より明
らかである。通常の単純な格子１列抜きによる導波路で
は、この周波数領域の伝播損失が１００ｄＢ／ｍｍ以上
と非常に大きく、利用することが不可能であった。しか
し、本実施の形態の構造を用いることにより、伝播損失
を１５ｄＢ／ｍｍにまで改善でき、十分利用に耐える導
波路を構成できる。
【００５４】実施の形態２によれば、実施の形態１と同
様に、本発明の導波路が欠陥を挟んだ両側の格子全体を
ずらした幅変調型光導波路と同等の特徴を有することを
示しており、本発明の導波路構造を用いることで、フォ
トニック結晶全体に渡る周期性のずれを生じさせること
なく、導波路を構成することが可能となり、曲げ導波路
の実現が可能となる。
様に、本発明の導波路が欠陥を挟んだ両側の格子全体を
ずらした幅変調型光導波路と同等の特徴を有することを
示しており、本発明の導波路構造を用いることで、フォ
トニック結晶全体に渡る周期性のずれを生じさせること
なく、導波路を構成することが可能となり、曲げ導波路
の実現が可能となる。
【００５５】［実施の形態３］本実施の形態による光導
波路は、スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の一列
を直線状に除き欠陥構造とした光導波路において、欠陥
に最近接の格子線上に配置された構造体を移動・変形す
ることにより、欠陥中の屈折率の大きな領域の面積を狭
くした構造である。
波路は、スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の一列
を直線状に除き欠陥構造とした光導波路において、欠陥
に最近接の格子線上に配置された構造体を移動・変形す
ることにより、欠陥中の屈折率の大きな領域の面積を狭
くした構造である。
【００５６】このような構造とすることにより、クラッ
ドのライトラインより低周波数側に群速度の大きなモー
ドを励起し、従来技術で説明したようなフォトニックバ
ンドギャップおよび屈折率差による光閉じ込め方法を用
いながら、低損失で群速度の大きな構造を実現する。さ
らに、欠陥に最近接の格子線上に配置された構造体を、
欠陥の中央に向かって先細りになるように引き伸ばした
形状に変形し、導波路幅を格子の配列の１列分の幅より
狭くした構造とすることにより、単一モード条件を満足
する。このような構造には、フォトニック結晶全体に渡
る周期性のずれを生じないので、直線だけでなく、曲げ
導波路も提供することができる。
ドのライトラインより低周波数側に群速度の大きなモー
ドを励起し、従来技術で説明したようなフォトニックバ
ンドギャップおよび屈折率差による光閉じ込め方法を用
いながら、低損失で群速度の大きな構造を実現する。さ
らに、欠陥に最近接の格子線上に配置された構造体を、
欠陥の中央に向かって先細りになるように引き伸ばした
形状に変形し、導波路幅を格子の配列の１列分の幅より
狭くした構造とすることにより、単一モード条件を満足
する。このような構造には、フォトニック結晶全体に渡
る周期性のずれを生じないので、直線だけでなく、曲げ
導波路も提供することができる。
【００５７】スラブ型２次元フォトニック結晶とは、誘
電体薄膜スラブに、誘電体薄膜スラブよりも低い屈折率
の円柱状または多角柱状の低屈折率柱を適当な２次元周
期間隔で設け、さらに、誘電体薄膜スラブの上下を誘電
体薄膜スラブよりも小さい屈折率を持つ上部クラッド層
と下部クラッド層とで挟んだフォトニック結晶のことで
ある。
電体薄膜スラブに、誘電体薄膜スラブよりも低い屈折率
の円柱状または多角柱状の低屈折率柱を適当な２次元周
期間隔で設け、さらに、誘電体薄膜スラブの上下を誘電
体薄膜スラブよりも小さい屈折率を持つ上部クラッド層
と下部クラッド層とで挟んだフォトニック結晶のことで
ある。
【００５８】また、前記の格子の配列の１列分の幅と
は、スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の１列を除
いただけの通常の構造における欠陥部分の両側の格子間
の幅である。
は、スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の１列を除
いただけの通常の構造における欠陥部分の両側の格子間
の幅である。
【００５９】図５は、本実施の形態による１列抜き線欠
陥フォトニック結晶導波路からなる光導波路の模式図で
ある。図５において、符号２１が基板、符号２２がＳｉ
Ｏ２層、符号２３がＳｉ層、符号２４が空気孔である。
陥フォトニック結晶導波路からなる光導波路の模式図で
ある。図５において、符号２１が基板、符号２２がＳｉ
Ｏ２層、符号２３がＳｉ層、符号２４が空気孔である。
【００６０】本実施の形態では、酸化物クラッド型２次
元フォトニック結晶に単一線欠陥を形成する場合に、そ
の欠陥を挟む両側の格子上に配置された構造体を欠陥の
中央に向かって引き伸ばした形状に変形し、導波路幅を
狭く調整する。これによって、クラッドのライトライン
よりも下に大きな群速度を持った単一導波モードを形成
する。
元フォトニック結晶に単一線欠陥を形成する場合に、そ
の欠陥を挟む両側の格子上に配置された構造体を欠陥の
中央に向かって引き伸ばした形状に変形し、導波路幅を
狭く調整する。これによって、クラッドのライトライン
よりも下に大きな群速度を持った単一導波モードを形成
する。
【００６１】すなわち、３μm厚のＳｉＯ２層２２、０.
２μm厚のＳｉ層２のＳＯＩ基板上に、電子線露光とド
ライエッチングとによって、格子定数a＝０.３９μmの
空気孔三角格子フォトニック結晶を作製する。その際
に、様々な幅の1列抜き欠陥を導入した。
２μm厚のＳｉ層２のＳＯＩ基板上に、電子線露光とド
ライエッチングとによって、格子定数a＝０.３９μmの
空気孔三角格子フォトニック結晶を作製する。その際
に、様々な幅の1列抜き欠陥を導入した。
【００６２】欠陥導波路の幅調整法は、１列分の孔を除
いた後の構造において、その欠陥を挟む両側の格子上に
配置された空気孔を、導波路の中心方向に先細りになる
ように、引き伸ばした形状に変形することによって行っ
ている。こうして、空気孔２５が形成される。ここで、
空気孔２５の形状は、図５（ｃ）に示される円２５Ａ、
２５Ｂの半径Ｒ１、Ｒ２で定義する。導波路の幅Ｗは半
径Ｒ２の中心間距離として定義する。
いた後の構造において、その欠陥を挟む両側の格子上に
配置された空気孔を、導波路の中心方向に先細りになる
ように、引き伸ばした形状に変形することによって行っ
ている。こうして、空気孔２５が形成される。ここで、
空気孔２５の形状は、図５（ｃ）に示される円２５Ａ、
２５Ｂの半径Ｒ１、Ｒ２で定義する。導波路の幅Ｗは半
径Ｒ２の中心間距離として定義する。
【００６３】通常の１列抜き線欠陥フォトニック結晶導
波路における欠陥の幅は、単純に格子を１列抜いた場合
の欠陥を挟んだ両側の最近接格子４の中心間の距離とし
て定義される。本実施の形態による欠陥の幅は、通常の
場合の欠陥幅をＷ０とし、その定数倍で表現される。こ
のフォトニック結晶自体は、波長１.３５μmから１.５
７μmの間にフォトニックバンドギャップを持ち、この
波長範囲内で無欠陥部分の結晶に、光透過は観測されな
かった。つぎに、各欠陥導波路の透過スペクトルを測定
した。単純な格子１列抜き（幅１.０Ｗ０のもの）で
は、バンドギャップの波長領域内で光の透過が全く観測
されなかった。一方、図５（ｃ）に示される空気孔２５
を導波路の両脇に配置し、幅Ｗを０.２５Ｗ０にしたも
のでは、バンドギャップ内のある波長領域で明確な光透
過が観測された。
波路における欠陥の幅は、単純に格子を１列抜いた場合
の欠陥を挟んだ両側の最近接格子４の中心間の距離とし
て定義される。本実施の形態による欠陥の幅は、通常の
場合の欠陥幅をＷ０とし、その定数倍で表現される。こ
のフォトニック結晶自体は、波長１.３５μmから１.５
７μmの間にフォトニックバンドギャップを持ち、この
波長範囲内で無欠陥部分の結晶に、光透過は観測されな
かった。つぎに、各欠陥導波路の透過スペクトルを測定
した。単純な格子１列抜き（幅１.０Ｗ０のもの）で
は、バンドギャップの波長領域内で光の透過が全く観測
されなかった。一方、図５（ｃ）に示される空気孔２５
を導波路の両脇に配置し、幅Ｗを０.２５Ｗ０にしたも
のでは、バンドギャップ内のある波長領域で明確な光透
過が観測された。
【００６４】図６は、本実施の形態における１列抜き線
欠陥フォトニック結晶導波路からなる光導波路の導波モ
ード分散である。本計算はＳｉＯ２層２２の屈折率を
１.４６とみなし、Ｓｉ層２３の屈折率を３.４とみなし
て、３次元で行われている。図１２に示す従来のもので
は、ライトラインより下側の伝播モードの傾きが小さい
のに対し、本実施の形態では、図６内の楕円部２９に示
すように、ライトラインよりも下側に大きな傾きを持っ
た、つまり、大きな群速度を持った導波モード（偶モー
ド）が存在している。また、その領域では、単一モード
条件を満たしていることも、図６より明らかである。
欠陥フォトニック結晶導波路からなる光導波路の導波モ
ード分散である。本計算はＳｉＯ２層２２の屈折率を
１.４６とみなし、Ｓｉ層２３の屈折率を３.４とみなし
て、３次元で行われている。図１２に示す従来のもので
は、ライトラインより下側の伝播モードの傾きが小さい
のに対し、本実施の形態では、図６内の楕円部２９に示
すように、ライトラインよりも下側に大きな傾きを持っ
た、つまり、大きな群速度を持った導波モード（偶モー
ド）が存在している。また、その領域では、単一モード
条件を満たしていることも、図６より明らかである。
【００６５】幅を狭くすることにより、前記の効果が得
られる理由は次の通りである。問題を簡単にするため、
以降の導波モード計算は２次元（コアとなるＳｉ層の膜
厚が無限大）で行われている。
られる理由は次の通りである。問題を簡単にするため、
以降の導波モード計算は２次元（コアとなるＳｉ層の膜
厚が無限大）で行われている。
【００６６】図１２に対応する２次元の計算を図７に示
す。従来の技術で説明したように、図１２に示される典
型的な１列抜き線欠陥の状態では、フォトニックバンド
ギャップ内でかつライトラインより低周波数領域（以
下、この領域をα領域という）のモード（図中丸部）
は、群速度が非常に小さなものであり、実用的ではな
い。そこで、図７のバンドギャップの外にある一番下の
群速度の大きなモード３１に注目する。導波路幅を狭く
すると、等価的に屈折率が下がり、この一番下のモード
３１を高周波数側にシフトさせることができる。したが
って、α領域で群速度の大きなモードを実現することが
可能となる。
す。従来の技術で説明したように、図１２に示される典
型的な１列抜き線欠陥の状態では、フォトニックバンド
ギャップ内でかつライトラインより低周波数領域（以
下、この領域をα領域という）のモード（図中丸部）
は、群速度が非常に小さなものであり、実用的ではな
い。そこで、図７のバンドギャップの外にある一番下の
群速度の大きなモード３１に注目する。導波路幅を狭く
すると、等価的に屈折率が下がり、この一番下のモード
３１を高周波数側にシフトさせることができる。したが
って、α領域で群速度の大きなモードを実現することが
可能となる。
【００６７】なお、導波路の屈折率を下げる方法とし
て、導波路部に屈折率の小さな媒質を利用する方法や、
導波路部の厚さを薄くして、等価的に屈折率を下げる方
法などがある。ここでは、導波路部に近接する孔を大き
くすることで、等価的に屈折率を下げる方法を使用す
る。
て、導波路部に屈折率の小さな媒質を利用する方法や、
導波路部の厚さを薄くして、等価的に屈折率を下げる方
法などがある。ここでは、導波路部に近接する孔を大き
くすることで、等価的に屈折率を下げる方法を使用す
る。
【００６８】図８（ａ）は、線欠陥に最近接の空気孔４
１を導波路の中心方向に向かい引き伸ばしたときのモー
ド曲線である。図８は空気孔４１を大きくすることで、
図７の一番下のモード３１をバンドギャップ領域にシフ
トさせ、図６のように群速度の大きな右肩下がりの分散
曲線を持つモード４２をα領域で実現できることを示し
ている。これにより、低損失の直線導波路を実現でき
る。ただし、このモード４２は左肩下がりの特性も有
し、これらの特性がほぼ同じ周波数領域に現れるため、
単一モード領域が非常に狭く、曲げ導波路に適さないこ
とは明白である。
１を導波路の中心方向に向かい引き伸ばしたときのモー
ド曲線である。図８は空気孔４１を大きくすることで、
図７の一番下のモード３１をバンドギャップ領域にシフ
トさせ、図６のように群速度の大きな右肩下がりの分散
曲線を持つモード４２をα領域で実現できることを示し
ている。これにより、低損失の直線導波路を実現でき
る。ただし、このモード４２は左肩下がりの特性も有
し、これらの特性がほぼ同じ周波数領域に現れるため、
単一モード領域が非常に狭く、曲げ導波路に適さないこ
とは明白である。
【００６９】次に、このモードの左肩下がりと右肩下が
りの領域におけるモード特性の違いを利用し、お互いが
現れる周波数領域をずらしたものを図８（ｂ）に示す。
図８（ａ）で注目したモード４２は、左肩下がりの領域
でフォトニックバンドギャップの効果でコアに光を閉じ
込められたモードの特性を示し、一方、右肩下がりの領
域でフォトニック結晶部の平均的な屈折率がコア部より
も小さいことにより、光をコア閉じ込めたモードの特性
を示す。これらのモードフィールドは分布形状が異な
り、前者は後者に比べ、導波路幅方向の分布が広い。こ
のため、導波路の中央付近の屈折率を大きく、中央から
少し離れた場所の屈折率を小さくすることで、前者に対
する導波路の有効屈折率を後者のそれより小さくし、前
者を高周波数側にシフトさせることが可能である。屈折
率の調整には、直接媒質の屈折率を変える方法や、Ｓｉ
層の厚さを調節することで有効屈折率を調節する方法な
どがあるが、ここでは、図８（ｂ）に示すように、導波
路に最近接の空気孔４２の幅を、導波路の中央に向かい
狭くなるように形状を変化させ、有効屈折率を調節する
方法を採用した。
りの領域におけるモード特性の違いを利用し、お互いが
現れる周波数領域をずらしたものを図８（ｂ）に示す。
図８（ａ）で注目したモード４２は、左肩下がりの領域
でフォトニックバンドギャップの効果でコアに光を閉じ
込められたモードの特性を示し、一方、右肩下がりの領
域でフォトニック結晶部の平均的な屈折率がコア部より
も小さいことにより、光をコア閉じ込めたモードの特性
を示す。これらのモードフィールドは分布形状が異な
り、前者は後者に比べ、導波路幅方向の分布が広い。こ
のため、導波路の中央付近の屈折率を大きく、中央から
少し離れた場所の屈折率を小さくすることで、前者に対
する導波路の有効屈折率を後者のそれより小さくし、前
者を高周波数側にシフトさせることが可能である。屈折
率の調整には、直接媒質の屈折率を変える方法や、Ｓｉ
層の厚さを調節することで有効屈折率を調節する方法な
どがあるが、ここでは、図８（ｂ）に示すように、導波
路に最近接の空気孔４２の幅を、導波路の中央に向かい
狭くなるように形状を変化させ、有効屈折率を調節する
方法を採用した。
【００７０】このように、導波路の中央付近とすこし離
れたところの屈折率に差をつけるために、空気孔の形状
を調節することが、本発明の目的達成のための重要なポ
イントであることがわかる。
れたところの屈折率に差をつけるために、空気孔の形状
を調節することが、本発明の目的達成のための重要なポ
イントであることがわかる。
【００７１】つぎに、空気孔の形状と単一モード帯域幅
との関係について示す。図９（ａ）は、空気孔をＲ１＝
０.２７５ａで固定し、空気孔のＲ２を小さくしていっ
たときの、導波路幅Ｗと単一モード帯域幅の関係とを示
している。さらに、図９（ｂ）は、図９（ａ）において
単一モード帯域が最大になる導波路幅と帯域との関係
を、それぞれのＲ２について抜き出し、１つにまとめた
ものである。図９（ａ）、（ｂ）より、Ｒ２が小さくＷ
が狭くなるに伴い、単一モード領域が広くなることがわ
かる。
との関係について示す。図９（ａ）は、空気孔をＲ１＝
０.２７５ａで固定し、空気孔のＲ２を小さくしていっ
たときの、導波路幅Ｗと単一モード帯域幅の関係とを示
している。さらに、図９（ｂ）は、図９（ａ）において
単一モード帯域が最大になる導波路幅と帯域との関係
を、それぞれのＲ２について抜き出し、１つにまとめた
ものである。図９（ａ）、（ｂ）より、Ｒ２が小さくＷ
が狭くなるに伴い、単一モード領域が広くなることがわ
かる。
【００７２】つぎに、単一モード帯域が最大になるＷ、
Ｒ１、Ｒ２（Ｒ１＞Ｒ２）の組み合わせを考察する。図
１０は図９（ｂ）を様々なＲ１について計算したときの
導波路幅と最大単一モード帯域幅との関係を示してい
る。実線はＲ１＝０.２７５ａ、０.３０ａ、０.３５
ａ、０.４０ａの場合を示し、一点鎖線はＲ１＝０.４５
ａの場合を示している。これらの曲線は、円５１で示す
ように、Ｗ＞０.４Ｗ０でほぼ同じ直線状（点線）に収
束しており、この直線がＷ＝０.７Ｗ０付近でＷ軸と交
差する。このことから、単一モード領域を得るために
は、導波路の幅をＷ＜０.７Ｗ０にする必要があること
がわかる。
Ｒ１、Ｒ２（Ｒ１＞Ｒ２）の組み合わせを考察する。図
１０は図９（ｂ）を様々なＲ１について計算したときの
導波路幅と最大単一モード帯域幅との関係を示してい
る。実線はＲ１＝０.２７５ａ、０.３０ａ、０.３５
ａ、０.４０ａの場合を示し、一点鎖線はＲ１＝０.４５
ａの場合を示している。これらの曲線は、円５１で示す
ように、Ｗ＞０.４Ｗ０でほぼ同じ直線状（点線）に収
束しており、この直線がＷ＝０.７Ｗ０付近でＷ軸と交
差する。このことから、単一モード領域を得るために
は、導波路の幅をＷ＜０.７Ｗ０にする必要があること
がわかる。
【００７３】また、Ｒ１＝０.４５ａの単一モード領域
がＷ＜０.４Ｗ０で減少していることがわかる。これ
は、導波路の有効屈折率を小さくしすぎたため、バンド
ギャップの下に隠れていたモードがギャップ中に現れ、
単一モード領域が減少したために起こった現象である。
これより、広い単一モード帯域幅（＞０.０１［c／
a］）を得るためには、Ｗ＜０.４Ｗ０、かつ、Ｒ１＜
０.４５ａとする必要があることがわかる。
がＷ＜０.４Ｗ０で減少していることがわかる。これ
は、導波路の有効屈折率を小さくしすぎたため、バンド
ギャップの下に隠れていたモードがギャップ中に現れ、
単一モード領域が減少したために起こった現象である。
これより、広い単一モード帯域幅（＞０.０１［c／
a］）を得るためには、Ｗ＜０.４Ｗ０、かつ、Ｒ１＜
０.４５ａとする必要があることがわかる。
【００７４】以上、本発明の実施の形態を詳述してきた
が、前記各実施の形態に限定されることなく、特許請求
の範囲内で種々変更・応用が可能である。また、具体的
な構成は前記各実施の形態に限られるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても
本発明に含まれる。
が、前記各実施の形態に限定されることなく、特許請求
の範囲内で種々変更・応用が可能である。また、具体的
な構成は前記各実施の形態に限られるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても
本発明に含まれる。
【００７５】たとえば、前記の実施の形態では、媒質と
してＳｉおよびＳｉＯ２を用いたが、本発明の効果はこ
の材料に限定されないことは明らかである。一般に、高
屈折率の媒質の薄膜の下に低屈折率の誘電体を配置した
スラブ型のフォトニック結晶を用いて欠陥導波路を構成
する際に、実施の形態１、２と同様に導波路幅を調整す
ることにより、ライトラインより下に単一モード条件を
満たす導波路や、ライトラインより上に単一モード条件
を満たす導波路を形成することが一般的に可能である。
してＳｉおよびＳｉＯ２を用いたが、本発明の効果はこ
の材料に限定されないことは明らかである。一般に、高
屈折率の媒質の薄膜の下に低屈折率の誘電体を配置した
スラブ型のフォトニック結晶を用いて欠陥導波路を構成
する際に、実施の形態１、２と同様に導波路幅を調整す
ることにより、ライトラインより下に単一モード条件を
満たす導波路や、ライトラインより上に単一モード条件
を満たす導波路を形成することが一般的に可能である。
【００７６】たとえば、Ｓｉの代わりにＧａＡｓ、Ｉｎ
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰ等の半導体を用いた
構造、または、ＳｉＯ２の代わりにポリマー、アルミナ
等の物質を用いた構造でも、全く同じ効果が期待される
ことは明らかである。また、ここでは、下部クラッドに
誘電体を配置した場合についてのみ述べたが、上下共に
誘電体クラッドを配置した構造でも、同様の効果が期待
できることは明らかである。
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰ等の半導体を用いた
構造、または、ＳｉＯ２の代わりにポリマー、アルミナ
等の物質を用いた構造でも、全く同じ効果が期待される
ことは明らかである。また、ここでは、下部クラッドに
誘電体を配置した場合についてのみ述べたが、上下共に
誘電体クラッドを配置した構造でも、同様の効果が期待
できることは明らかである。
【００７７】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明における
光導波路およびその製造方法は、フォトニック結晶全体
に渡る周期性のずれを生じさせることなく、欠陥を挟ん
だ両側の格子全体をずらした幅変調型光導波路と同等の
特徴を提供することができる。
光導波路およびその製造方法は、フォトニック結晶全体
に渡る周期性のずれを生じさせることなく、欠陥を挟ん
だ両側の格子全体をずらした幅変調型光導波路と同等の
特徴を提供することができる。
【００７８】スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の
一部を直線状に除き線欠陥構造とした光導波路におい
て、格子点１列分の線欠陥幅よりも狭くなるように、線
欠陥に近接する格子点列を移動または格子点上に配置さ
れた構造体を変形させることにより、クラッドのライト
ラインより低周波数側で単一モードが形成可能な構造の
光導波路およびその製造方法を提供することができる。
一部を直線状に除き線欠陥構造とした光導波路におい
て、格子点１列分の線欠陥幅よりも狭くなるように、線
欠陥に近接する格子点列を移動または格子点上に配置さ
れた構造体を変形させることにより、クラッドのライト
ラインより低周波数側で単一モードが形成可能な構造の
光導波路およびその製造方法を提供することができる。
【００７９】スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の
一部を直線状に除き線欠陥構造とした光導波路におい
て、格子点１列分の線欠陥幅よりも広くなるように、線
欠陥に近接する格子点列を移動または格子点上に配置さ
れた構造体を変形させることにより、クラッドのライト
ラインより高周波数側で単一モードが形成可能な構造の
光導波路およびその製造方法を提供することができる。
一部を直線状に除き線欠陥構造とした光導波路におい
て、格子点１列分の線欠陥幅よりも広くなるように、線
欠陥に近接する格子点列を移動または格子点上に配置さ
れた構造体を変形させることにより、クラッドのライト
ラインより高周波数側で単一モードが形成可能な構造の
光導波路およびその製造方法を提供することができる。
【００８０】また、本発明の光導波路は、スラブ型２次
元フォトニック結晶の格子の一部を直線状に除き線欠陥
構造とした光導波路において、その欠陥を挟む両側の穴
形状を欠陥の中心に向かい先細りとなるように引き伸ば
すことにより導波路幅を狭くしたので、ライトラインよ
りも下に大きな群速度を持った単一モードが形成可能な
構造の光導波路を提供することができる。
元フォトニック結晶の格子の一部を直線状に除き線欠陥
構造とした光導波路において、その欠陥を挟む両側の穴
形状を欠陥の中心に向かい先細りとなるように引き伸ば
すことにより導波路幅を狭くしたので、ライトラインよ
りも下に大きな群速度を持った単一モードが形成可能な
構造の光導波路を提供することができる。
【００８１】したがって、本発明によれば、群速度が向
上し、曲げ導波路が構成でき、損失の少ない超小型光導
波路を提供することができる。
上し、曲げ導波路が構成でき、損失の少ない超小型光導
波路を提供することができる。
【図１】実施の形態１による線欠陥フォトニック結晶導
波路からなる光導波路の模式図であり、（ａ）は上面
図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ´断面を示す断面図であ
る。
波路からなる光導波路の模式図であり、（ａ）は上面
図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ´断面を示す断面図であ
る。
【図２】実施の形態１よる線欠陥フォトニック結晶導波
路からなる光導波路の導波モード分散を説明する図であ
る。
路からなる光導波路の導波モード分散を説明する図であ
る。
【図３】実施の形態２による線欠陥フォトニック結晶導
波路からなる光導波路の模式図であり、（ａ）は上面
図、（ｂ）は（ａ）のII−II´断面を示す断面図であ
る。
波路からなる光導波路の模式図であり、（ａ）は上面
図、（ｂ）は（ａ）のII−II´断面を示す断面図であ
る。
【図４】実施の形態２による線欠陥フォトニック結晶導
波路からなる光導波路の導波モード分散を説明する図で
ある。
波路からなる光導波路の導波モード分散を説明する図で
ある。
【図５】実施の形態３による１列抜き線欠陥フォトニッ
ク結晶導波路からなる光導波路の模式図であり、（ａ）
は上面図、（ｂ）は（ａ）のIII−III´断面を示す断面
図である。
ク結晶導波路からなる光導波路の模式図であり、（ａ）
は上面図、（ｂ）は（ａ）のIII−III´断面を示す断面
図である。
【図６】実施の形態３による１列抜き線欠陥フォトニッ
ク結晶導波路からなる光導波路の導波モード分散を説明
する図である。
ク結晶導波路からなる光導波路の導波モード分散を説明
する図である。
【図７】従来例における典型的な１列抜き線欠陥フォト
ニック結晶導波路の導波モード分散を説明する図であ
る。
ニック結晶導波路の導波モード分散を説明する図であ
る。
【図８】導波路に最近接する空気孔の形状とモード分散
曲線の関係とを説明する図である。
曲線の関係とを説明する図である。
【図９】穴形状と導波路幅と単一モード帯域幅の関係と
を説明する図である。
を説明する図である。
【図１０】穴形状と導波路幅と単一モード帯域幅との関
係を説明する図である。
係を説明する図である。
【図１１】従来例における典型的な１列抜き線欠陥フォ
トニック結晶導波路の構造模式図であり、（ａ）は上面
図、（ｂ）は（ａ）のIV−IV´断面図断面を示す断面図
である。
トニック結晶導波路の構造模式図であり、（ａ）は上面
図、（ｂ）は（ａ）のIV−IV´断面図断面を示す断面図
である。
【図１２】従来例における典型的な１列抜き線欠陥フォ
トニック結晶導波路の導波モード分散を説明する図であ
る。
トニック結晶導波路の導波モード分散を説明する図であ
る。
１、１１、２１ 基板
２、１２、２２ ＳｉＯ２層
３、１３、２３ Ｓｉ層
３Ａ、５Ａ、１４Ａ、２４、２５、４１ 空気孔
２５Ａ、２５Ｂ、５１ 円
４、５、１４ 格子点列
３１、４２ モード
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(72)発明者 山田 浩治
東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日
本電信電話株式会社内
(72)発明者 高橋 淳一
東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日
本電信電話株式会社内
(72)発明者 高橋 千春
東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日
本電信電話株式会社内
(72)発明者 横浜 至
東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日
本電信電話株式会社内
Ｆターム(参考） 2H047 KA03 KA12 PA22 PA24 QA04
QA05 TA01
Claims (20)
- 【請求項１】 スラブ型２次元フォトニック結晶の格子
点に配列された構造体の一部を除いて形成された格子点
１列分の線欠陥構造を有し、前記線欠陥が単一モード条
件を満足するように、それに近接する複数列の格子点上
の構造体を移動させ、または変形させたことを特徴とす
る光導波路。 - 【請求項２】 前記線欠陥構造は、 格子点１列分の線欠陥を挟む最近接格子の中心間幅より
も狭くなるように線欠陥に近接する格子点列を移動、 または、格子点１列分の線欠陥を挟む最近接格子の線欠
陥側端間幅よりも狭くなるように格子点上に配置された
構造体を変形させた構造であり、 クラッドのライトラインより低周波数側で単一モード条
件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光導波
路。 - 【請求項３】 前記線欠陥構造において、 移動または変形させられた格子点上の構造体のうち一列
以上を大きな形状に変形させたことを特徴とする請求項
２に記載の光導波路。 - 【請求項４】 前記線欠陥構造において、 線欠陥に最近接する格子点列を移動させる方向にその外
側の格子点列上の構造体を引き伸ばすように大きく変形
させることを特徴とする請求項２に記載の光導波路。 - 【請求項５】 前記線欠陥構造において、 移動させた格子点列は線欠陥から２列目までとすること
を特徴とする請求項２に記載の光導波路。 - 【請求項６】 前記線欠陥構造は、 格子点１列分の線欠陥を挟む最近接格子の中心間幅より
も広くなるように線欠陥に近接する格子点列を移動、 または、格子点１列分の線欠陥を挟む最近接格子の線欠
陥側端間幅よりも広くなるように格子点上に配置された
構造体を変形させた構造であり、 クラッドのライトラインより高周波数側で単一モード条
件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光導波
路。 - 【請求項７】 前記線欠陥構造において、線欠陥に最近
接する格子点上の構造体を小さく変形させたことを特徴
とする請求項６に記載の光導波路。 - 【請求項８】 前記線欠陥構造における変形された構造
体は、円筒の線欠陥側を削りとった形状であることを特
徴とする請求項６に記載の光導波路。 - 【請求項９】 スラブ型２次元フォトニック結晶の格子
の一部を導波路方向に直線状に除いて形成された線欠陥
構造を有し、前記線欠陥構造の線欠陥中の屈折率の大き
な領域の面積が狭くなるように、この欠陥を挟む両側の
格子上に配置された構造体を移動させ、または変形させ
ることにより、クラッドのライトラインより低周波数側
に群速度の大きなモードを有することを特徴とする光導
波路。 - 【請求項１０】 前記線欠陥を挟む両側の格子上に配置
された構造体を、欠陥の中央に向かって引き伸ばした形
状に変形して、変形構造体を形成したことを特徴とする
請求項９に記載の光導波路。 - 【請求項１１】 前記線欠陥を挟む両側の格子上に配置
された構造体を、欠陥の中央に向かい先細りの形状とし
て、変形構造体を形成したことを特徴とする請求項１０
に記載の光導波路。 - 【請求項１２】 前記線欠陥を挟む両側の格子上に配置
された前記変形構造体の、前記線欠陥の中央に近い側を
第１の円形にし、 前記線欠陥を挟んで互いに向かい合う前記変形構造体の
第１の円形の中心間距離を導波路幅として、この導波路
幅を第１の幅とし、 スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の１列を除いた
だけの、通常の線欠陥構造における欠陥部分の、両側の
格子間の幅である第２の幅より、前記第１の幅を狭くし
たことを特徴とする請求項１０に記載の光導波路。 - 【請求項１３】 単一モード条件を満足するために、前
記変形構造体の、前記欠陥から遠い側を第２の円形に
し、 前記第１の円形の半径が、前記第２の円形の半径より小
さな、前記線欠陥の中央に向かい先細りの形状としたこ
とを特徴とする請求項１１に記載の光導波路。 - 【請求項１４】 前記第１の幅を、前記第２の幅の０.
７倍以下の値としたことを特徴とする請求項１２に記載
の光導波路。 - 【請求項１５】 ０.０１［ｃ／ａ］以上の単一モード
周波数帯域を得るために、前記第２の円の半径を格子定
数の０.４５倍より小さな値で、かつ、前記第１の幅を
前記第２の幅の０.４倍以下の値としたことを特徴とす
る請求項１３に記載の光導波路。 - 【請求項１６】 前記格子は空気孔型三角格子であるこ
とを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の
光導波路。 - 【請求項１７】 前記スラブ型２次元フォトニック結晶
が、酸化物クラッドまたはポリマークラッドを有するこ
とを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の
光導波路。 - 【請求項１８】 前記スラブ型２次元フォトニック結晶
は、ＳＯＩ基板を用いて製造したこを特徴とする請求項
１〜１７のいずれか１項に記載の光導波路。 - 【請求項１９】 スラブ型２次元フォトニック結晶の格
子点に配置された構造体の一部を除き線欠陥構造とする
光導波路の製造方法において、 前記スラブ型２次元フォトニック結晶をＳＯＩ基板を用
いて作製し、 格子点列を１列分抜いて線欠陥を形成し、 その線欠陥に近接する複数の格子点列を移動させ、また
は格子点上に配置された構造体を変形し、 クラッドのライトラインより低周波数側または高周波数
側で単一モード条件を満足させることを特徴とする光導
波路の製造方法。 - 【請求項２０】 スラブ型２次元フォトニック結晶の格
子の一部を導波路方向に直線状に除いて線欠陥構造とし
た光導波路の製造方法において、 前記線欠陥構造の線欠陥中の屈折率の大きな領域の面積
が狭くなるように、この欠陥を挟む両側の格子上に配置
された構造体を移動または変形を行い、 前記構造体を移動または変形によって、クラッドのライ
トラインより低周波数側に群速度の大きなモードを有す
ることを特徴とする光導波路の製造方法。
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